Расчёт усилителя мощности

Содержание

 

Введение                                                                                                                                                                                                        1 Анализ требований  задания на курсовой проект                                                             1.1 Задание на курсовую работу 1.2 Назначение  и основные характеристики разрабатываемого устройства          2 Выбор конструкций и электрический расчет устройства         2.1 Методы проектирования полосно-пропускающего фильтра. Выбор конструкции 2.2 Электрический  расчет ППФ 3 Расчет потерь  в фильтре 4 Расчет предельной  постоянной и предельной импульсной  мощности 5 Выбор материала  подложки ППФ 6 Выбор конструкционного  материала 7 Выбор проводникового  материала Заключение Список литературы

 
 
         Введение

 
 
         Введение

 

Фильтр – четырехполюсник, затухание которого мало в заданной полосе «полоса пропускания» и велика на всех других частотах вне этой полосы «полоса заграждения». Большое затухание в полосе заграждения создается за счет поглощения и отражения энергии подводимых сигналов.

При реализации СВЧ-фильтров в качестве элементов, соответствующих емкостям, индуктивностям и резонансным контурам используют диафрагмы, штыри, резонаторы, отрезки линии передачи различной длины. В данной курсовой работе СВЧ – фильтр будет реализовываться на резонаторах. В качестве фильтра–прототипа целесообразно использовать ступенчатый переход, что максимально упрощает процедуру расчета фильтра.

 

1 Анализ требований  задания на курсовой проект

1.1 Задание на курсовую работу

        Определить электрические и конструкционные параметры полоскового полосно-пропускающего фильтра с Чебышевской частотной характеристикой.

 

Таблица 1 – Данные для расчета

Название величины	Значение
Потери в полосе пропускания, дБ	1
Потери на границе полосы заграждения, дБ	15
Центральная рабочая длина волны, мм	30
Относительная полоса пропускания, %	15
Относительная полоса пропускания по заданному уровню заграждения, %	40
Волновое сопротивление подводящих линий, Ом	75

 

 

1.2 Назначение и основные  характеристики разрабатываемого  устройства

 

Фильтр – это четырехполюсник, затухание которого мало в заданной полосе (полоса пропускания) и велико на всех других частотах вне этой полосы (полоса заграждения). Большое значение затухания в полосе заграждения создается за счет поглощения и отражения энергии подводимых сигналов.

К числу основных параметров фильтров относятся полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, коэффициент затухания в полосе пропускания, коэффициент затухания в полосе заграждения, крутизна частотной характеристики, коэффициент отражения от входа к выходу, форма и размеры сечения линий передачи, в которую включается фильтр.

Полосно-пропускающий фильтр с Чебышевской характеристикой  – это фильтр пропускающий сигнал в пределах заданной полосы (полоса пропускания) и подавляющий сигнал вне этой полосы, причем затухание в пределах этой полосы сложным образом зависят от частоты.

Чебышевская характеристика полосно-пропускающего фильтра изображена на рисунке 1:

- f_-п, f_п – граница полосы пропускания

- f_-з, f_з – граница полосы заграждения по заданному уровню заграждения

- а_п, а_з – потери в полосе пропускания и на границе полосы заграждения

- f₀ – центральная рабочая частота (средняя частота рабочего диапазона частот)

 

f0 = с/l,

(1.1)

          где с – скорость света, равная 3·10⁸ м/с

         l - рабочая длина волны, мм

f0 = 3·108 /30·10-3 = 10 (ГГц)

                W_п = f_п–f_-п/f₀ = 0,15 – относительная полоса пропускания

        W_з = f_з–f_-з/f₀ = 0,40 – относительная полоса пропускания по заданному уровню заграждения.

     Приведем пример Чебышевской частотной характеристики фильтра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Чебышевская характеристика полосно-пропускающего фильтра

 

2 Выбор конструкций  и электрический расчет устройства

2.1 Методы  проектирования полосно-пропускающего  фильтра. Выбор конструкции

         Широкое распространение при синтезе СВЧ фильтров получил метод прототипных схем, в основе которого лежит реализация элементов СВЧ фильтров по табулированным параметрам элементов прототипной схемы. Различают низкочастотные прототипные схемы (на элементах со сосредоточенными параметрами) и СВЧ прототипные схемы (на элементах с распределенными параметрами).

Полосно-пропускающий фильтр с Чебышевской характеристикой  соответствует прототипному фильтру нижних частот из n элементов с сосредоточенными параметрами. На основе схемы прототипного фильтра нижних частот можно рассчитать только приближенно, причем приближение полученных этим способов значений весьма близко к истинным. Более точный метод проектирования ППФ на связных линиях основан на использовании ступенчатых переходов в качестве прототипных схем.

Так как значение не требует высокой степени точности расчета, то можно использовать приближенный метод расчета.

Структурная схема фильтра  показана на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Схема внутреннего  проводника ППФ на связных линиях

 

Достоинством таких  фильтров на параллельно связных резонаторах являются малые габаритные размеры, относительно большие расстояния между резонаторами, что обеспечивает их производство и повышает электрическую прочность частотной характеристики.

Полосовые фильтры на связных резонаторах весьма чувствительны к технологическим допускам. Так отклонение толщины подложки h от расчетной вызывает возрастание вносимых потерь и изменение полосы пропускания, а изменение диэлектрической проницаемости подложки приводит к изменению центральной частоты фильтра относительно расчетного значения. Указанная чувствительность к допускам повышается при уменьшении полосы пропускания фильтра.

Затухание фильтра в  полосе пропускания тем меньше, чем  выше собственная добротность и чем меньше число звеньев. Крутизна частотной характеристики фильтра тем выше, чем больше число звеньев и выше собственная добротность резонаторов. Длина каждого звена фильтра должна быть соответствующим образом скорректирована (укорочена) из-за влияния емкости разомкнутых концов.

 

2.2 Электрический расчет ППФ

 

Расчет электрических  параметров фильтра начнем с нахождения числа элементов прототипного фильтра  нижних частот. Число элементов фильтра  определяется по формуле:

,

(2.1)

         где W_п и W_з – относительные полосы пропускания прототипного ступенчатого перехода

,

(2.1)

 

  Полученное значение округляем до ближайшего целого, получим n = 3.

  Число каскадносоединенных звеньев фильтра на связных линиях равно n+1 = 4

  Находим значение элементов q_i для относительной полосы прототипа:

q₁ = q₄ = 13,670

q₂ = q₃ = 138,02

Определим величину переходных затуханий (Дб) связных звеньев согласно [1]:

,

(2.2)

         С₁ = С₄ = 11,664 (Дб)

 С₂ = С₃ = 21,430 (Дб)

         По данным электрического расчета определяем конструктивные размеры элементов фильтра, графики рисунок. Результаты приведены в таблице 2.

Ширина оконечных 75-омных  полосок находится:

b₀/h = b₅/h = 0,65

Тогда: b₀ = b₅ = 0,65·1 = 0,65 (мм)

 

Таблица 2 – Результаты расчетов

 

Сi	С1 = С4 = 11,664, Дб	С2 = С3 = 21,430, Дб
bi/h	0,862	0,987
si/h	0,420	1,900
bi, мм	0,862	0,987
si, мм	0,420	1,900
Zi, Ом	65	62
	0,47	0,46
li, мм	4,23	4,23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         3 Расчет потерь в фильтре

 

Величину активных потерь в фильтре на средней частоте  полосы пропускания можно определить по формуле:

(3.1)

        В эту формулу входят значения элементов q_i фильтра – прототипа нижних частот, которые берем из таблицы 3.1 [1] для а_п = 1 дБ и n=3:

q₁ = q₃ = 1,49

q₂ = 1,118

         Величину Q₀ – ненагруженную добротность центрального резонатора определим по формуле:

(3.2)

         Величину Q_R берем из графика рисунок, а множитель η находим по формуле для z = 75 Ом, ε_эфф = 4,73, h = 0,1 см, λ = 30 мм (f₀ = 10 ГГц):

 

(3.3)

          Справедливо при условии:

   Условие выполняется: 0,614 << 1,57

  Тогда η = 0,99

           Q_R = 0,1·2400· = 759

  Получаем: Q₀ = 759·0,99 = 751,41

  Тогда, согласно (3.1) активные потери на средней частоте полосы пропускания равны:

  дБ.

 

4 Расчет предельной  постоянной и предельной импульсной мощности

 

Согласно, максимальная мощность, которую можно передать через поперечное сечение полоскового волновода определяется по формуле:

,

(4.1)

        где Е_макс – максимальная напряженность поля, Е_макс = 1,5·10⁶ В/м;

      d – высота подложки;

     Δ/d – отношение толщины проводника к высоте подложки;

      r_B – корень трансцендентного уравнения 1.13 [ 1 ].

         Мощность пробоя определяется как:

,

(4.2)

               где Е_пр – напряженность электрического поля для промежутка между плоскими электродами. При нормальном атмосферном давлении Е_пр = 3·10⁶ В/м;

,

 

5 Выбор материала подложки ППФ

 

Для изготовления полосковых схем часто  используют, в качестве подложки, неорганические диэлектрики. К диэлектрическим материалам предъявляются требования малых диэлектрических потерь, высокой механической прочности, высокой допустимой рабочей температуры, формоустойчивости, хорошей обрабатываемости, пригодности для соединения с другими диэлектриками и металлами высокой теплопроводности [2].

Материалы металлизируются термовакуумными, электрохимическим способами, приклейкой фольги и т.д. Прочность сцепления слоя металлизации с диэлектриком различных зависимостей от способа металлизации и находится в пределах от 2МПа (при электрохимической металлизации) до 15 МПа (при термовакуумной).